Способ автоматизированного водораспределения на открытых оросительных системах Советский патент 1990 года по МПК A01G25/16 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть применено при поливе сельскохозяйственных культур, в частности, широкозахватными машинами с забором воды в двгшении из открытых оросителей, например, типа Кубань.

Цель изобретения - повьш1ение качества управления водораспределением и уменьшение капитадьнь1х затрат для систем с уклонами оросителей более 0,0001.

Техническая сущность способа автоматизированного водораспределения заключается в учете различия старого

и нового установившихся режимов во- доподачи и интегральной оценке перестройки, т.е. в учете, на какой расчет- Hbrfi запас нужно выйти по окончании процесса перестройки, а также в учете объема, который не ;успели подать

в процессе предшествующей перестройки, причем это производится в режиме подачи форсированного расхода, что ускоряет добегание и, соответственно, переход к новому состоянию системы, при этом главные уставки изменения режима водоподачи автоматически корректируются.

О5. О 4 Ю

С5 4

10

15

20

На чертеже показана автоматизированная оросительная система, реализующая способ.

Способ осуществляют следующим образом.

В распределительный канал подается расход, равный номинальному водо- потреблению включенных дождевальных машин по сигналам сигнализаторов их работы. Забор воды в/оросители начиг- нают или прекращают по сигналам включения (отключения) дожд.евальных машин, причем забираемый расход может корре|стироваться в зависимости от уровня воды под машиной, измеряемый, в частности, перед ее навесной перемь1чкой. При включениях (откл ю- ченияк) дождевальных машин по сигналам сигнализаторов их работы формируют сигнал изменения количества работающих машин. По сигналу изменения количества работающих машин вычисляют разность между объемами заполнения участков распределительно- 25 го канала, разность между объемами заполнения резервных емкостей вдоль распределительного канала, разность между требуемыми запасами воды соответственно при новом и предшествующем расходах номинального водопо - ребления, а также величину объема, подача которого не была закончена в процессе подачи предшествующего компенсирующего объема, после чего суммированием этих величин получают значение требуемого компенсирующего . объема.

Компенсирующий объем подают, например, путем заданного изменения расхода относительно номинального водопотребления включенных машин, причем .величину компенсирующего объема устанавливают путем управления временем подачи измененного расхода. одаваемый в распределительньй канал расход корректируют по сигналу датика минимального уровня в оросителе с нижней из работающих в данный моент дождевальных машин. Регулирование уровней в резервных емкостях осуществляют, например, водосливными гранями, установленными на выходах из этих емкостей в участки распределительного канала (гидро- или электростабилизатор уровня верхнего бьефа ожет поддерживать уровень последнего точнее, чем водослив, однако значительно дороже и менее надежен),

30

35

40

45

50

10

15

20

25 .

6042644

Автоматизированная оросительная система содержит источник 1 орошения, регулятор 2 водоподачи, состоящий из затвора 3 с приводом 4, микроЭВМ 5 с ограничителем 6 возможных режимов, приемника 7 и датчика 8. Оросительная сеть системы включает безуклонные участки (резервные емкости) 9, участки 10 с повьщ1енным уклоном распределительного канала, причем последние имеют в начале устройство 11 регулирования, оросители 12 с устройствами 13 подачи воды к дождевальным машинам (ДМ) 14, каждая из которых оснащена сигнализатором 15 работы, связанным с приемником 7.

Микроэвм 5 вьшолняет логические и вычислительные операции по заданной программе, в частности выделяет сигналы о работе машин соответственно их номерам, определяет по этим сигналам расчетные расходы через дсе элементы сети, управляет затвором 3 через привод 4 и другие операции.

Устройство 13 подачи воды осуществляют водоподачу в ороситель 12 по сигналу включения в работу соответствующей да 14. Возможен вариант ручного.открытия устройств 13 оператором. В качестве сигнализатора 15 работы может быть использован концевой выключатель задвижки- ДМ, приводной линией связанньп с приемником 7. Излишки воды из оросителя 12 попадают в нижерасположенную резервую емкость 9.

Автоматизация водораспределения . возможна только в том случае, если система имеет достаточные резервые объемы регулирования. При этом часто встречаются случаи, когда строить систему с безуклонными оросителями нельзя или невыгодно, тогда рационально создавать резервные емкости на входах оросителей 12 в виде безуклонных участков 9 распределительного канала. Участки 10 распределительного канала имеют повьщ1енньй уклон и выполняют функцию транзитных участков для перегона воды к нижним машинам. Безуклонные участки 9 распределительного канала обычно рациональны, так как в них совмещены функции и транс- - портирующего звена, и резервной емкости. В связи с тем, что такое совмещение функций преобладает и является более важным, а также учитывая, что резервная емкость может быть создана специально, без функции танспор30

35

40

45

50

5

тирования,можно рассматривать безук- лонные участки 9 в качестве толь- ,ко резервной емкости. Это объясняется тем, что пропустить воду к нижним машинам через вьшерасполо- женные оросители, исключив каналы 10 часто нельзя, так как нет ни необходимой навесной перемычки, ни требуемого гидроавтомата. При этом в случа варианта с навесной перемычкой потребуется ввести в микроэвм сигнал о положении машины -.расстояние ее от начала, однако ни формирование величины сигнала, ни его передача, ни использование приведенных ниже расчетов принципиальных отличий не содержат.

Сигнализаторы 15 работы Д11, как и сигнализатор минимального уровня, а также датчик расстояния от начала оросителя могут быть связаны с приемником 7 не только по радиоканалу, но и любой другой линией связи, в том числе смешанной, например ультразвуковая связь по воде или низкочастотная связь по направляющему тросу машины вдоль оросителя и т.д

В установившемся режиме на системе работает определенное количество ДМ, Их сигнализаторы 15 работы через приемник 7 и микроЭВМ 5 определяют задание на подачу расхода Q, соответствующего номинальному водо- . потреблению Q, работающих дождевальных машин. В установившемся режиме расход Q . равен

(1)

Q, 2Qu+ Qa N Q + Q., i/}

где N - число работающих одинаковых

машин;

Qa - дополнительньй расход, пер- воначально принимается равным 0,01-0,05 MVc, подается для возмещения 70-90% потерь распределительной сети на испарение, фильтрацию, протечки через концевые затворы и т.п.

Четвертым параметром, являющим основным для определения величины компенсирующего объема - требуемы (расчетный) запас R, воды. Для но мальной работы системы необходимо чтобы запас воды в резервной емко обеспечил питание оросителя водой еле включения машины в работу в т чение времени добегания увеличенн го расхода от источника орошения. Чем более удаленная от источника на может быть включена в работу, больший запас воды нужно создать системе. Если машины, получающие из нижней резервной емкости, уже

Микроэвм 5, используя сигнал датчи- 50 включены или находятся в ремонте.

ка 8, через привод 4 изменяет положение затвора 3 до тех пор, пока фактически подаваемый расход не станет равным заданному. По сигналу изменения количества работающих машин (когда сумма сигналов от сигнализаторов 15 работы при очередном цикле опроса отличается от предьщущего значения) микроэвм, используя сигналы о состоя55

или недавно закончили полив своих полей, т.е. нет возможности их вк чения в работу, тогда требуемый (расчетный) запас можно существен уменьшить. Поэтому перед началом боты системы величина Rj должна обеспечить возможность включения расчетного числа машин, (включая нижние), и величина R максимальна

10

4264

6

НИИ каждой из машин и параметры элементов технологической схемы, вычисляет объем V воды в транзитных участках распределительного трубопровода, объем V воды в резервных емкостях 9. Объем D воды, подача которого не была закончена в процессе подачи предшествующего компенсирующего объема К, определяется по формуле

KO - .t Q Q( t).

Т

t

(2)

5

0

15

20

5

где K - компенсирующий объем, подача которого начата после предыдущего включения (отключения) машины путем форсирования (увеличения) подаваемого в распределительный канал расхода на величину Q-;

расчетное время, небходимое для подачи Кр, Ко Q, время от начала подачи предшествующего компенсирзгющего объема. При , принимается, что D 0.

Для вычисления W., V, D, необходимь

данные о параметрах и схеме сети,

%t 5

которые введены в память ЭВМ, и о состоянии .машин соответственно их номерам, которые ЭВМ получает через приемник 7 от сигнализатора 15 рабо ты.

Четвертым параметром, являющимся основным для определения величины компенсирующего объема - требуемый (расчетный) запас R, воды. Для нормальной работы системы необходимо, чтобы запас воды в резервной емкости обеспечил питание оросителя водой по-- еле включения машины в работу в течение времени добегания увеличенного расхода от источника орошения. Чем более удаленная от источника мапш- на может быть включена в работу, тем больший запас воды нужно создать в системе. Если машины, получающие воду из нижней резервной емкости, уже

0 включены или находятся в ремонте.

5

или недавно закончили полив своих полей, т.е. нет возможности их включения в работу, тогда требуемый (расчетный) запас можно существенно уменьшить. Поэтому перед началом работы системы величина Rj должна обеспечить возможность включения расчетного числа машин, (включая нижние), и величина R максимальна.

После включения наибольшего возможного числа машин (включение дополнительных исключено) ,

В промежутке от R , О до R, для каждой системы можно определить ряд дискретных значений. Например, если участки каналов системы, приведенной на чертеже, одинаковы, и необходимый для включения нижних машин требуемьй резерв равен 1200 м (по условию добегания), тогда ряд имеет вид (примерно) 100, 600, 1200.

Возможны несколько вариантов автоматического и автоматизированного выбора значений из этого ряда. Общим яв ляется то, что выбор производится по совокупности заданных сочетаний сигналов от ограничителя 6 возможных режимов (или эквивалентного блока программы ЭВМ) и сигналов от сигнализаторов 15 работы.

Таким образом, величину требуемого в данном режиме расчетного запаса R воды устройство выбирает по совокуп- ности заранее установленных условий по состоянию машин системы, определенному сигнализаторами 15 их работы Выход на режим с указанной величиной R,( обеспечивает работу системы с рациональной величиной запаса: гарантируется и нормальное включение новых машин, и минимальность (отсутствие) сбросов после отключения машин. Величина R пропорциональна времени добегания до нижней из неработаюпщй машин, которая подготовлена, т.е. может быть включена, поэтому R. нетрудно вычислить для каждой ситуации.

Параметры W, V, D, R вычисляются один раз после каждого изменения количества работающих машин. Затем ЭВМ сравнивает зафиксированное число М работающих машин (для которого выполнен расчет) с числом N сигналов от сигнализаторозв 15 работы. До тех пор, пока N М, описанные расчеты повторно не производятся.

После включения (отключения) дополнительной машины N 7 М. Это яв- . ляется сигналом изменения количества работаюш;их машин, по которому в ЭВМ запускается хщкл вычислений, в процессе которого определяются

новые значения W

R,, D.,. За2, V2, 2,, ij..

тем определяются следукнцие параметры; U W - W , - разность (измене - ние) объемов заполнения участков распределительного каналаJ

ДУ

Vj - разность (изменение) объемов заполнения резервных емкостей}

UR

. - разность (изменебьша закончена в

ние) требуемых запасов;

объем, подача которого не

процессе подачи предшествующего компенсирующего объема.

Величина нужного компенсирующего объема рассчитывается по формуле

К UW + AV + AR + D2. (3)

Величина расхода форсировки О л при нимается по совокупности дополнительных условий, например принимается равной Q О) 2Qn, и тогда время подачи компенсирующего объема будет:

т - Г

UW + ду + AR + D;

2Q.

(4)

5

0

5

0

5

0

5

В течение времени Тд, после включения (отключения) новой N-й машины регулятор 2 водоподачи подает в оросительную систему расход

Qt N-QH + QI + Qf, (5)

а по истечении этого времени уменьшает подачу до

Q, №рц + Qg.(6)

, I

W4, V

После определения Тт символами

R,

V ,, Л(,

значения W,

-ср V,

D, R

ЭВМ присваивает Б„. Число

2. г Z о 2 машин М получает новое значение (М

сравнивается с числом N работающих машин), и далее процесс повторяется.

Подача компенсирующего объема воды указанной величины имеет .высокую эффективность по двум причинам. Во- первых, реализуется прогнозирование, или опережающее упрайление (не ожидая сигналов от датчиков уровня, заранее подается объем воды, обеспечивающий выход системы на лучший, из возможньк, режим), а, во-вторых, подача повышенного расхода существенно уменьшает время добегания (для принятой величины.форсировки расхода 2рц. в критические моменты работы системы - при включении первой машины - время добегания уменьшается почти в 2 раза). .

Подача воды в оросители в установившемся режиме осуществляется аналогично. Если ороситель имеет повышенный уклон, тогда устройство 11 регулирования выполнено в виде стабилизатора расхода - подает посто- ; янный (или корректирующий .по уровню воды под машиной) расход. Если ороситель безуклонный, тогда устройство 11 регулирования вьшолнено в виде стабилизатора уровня нижнего бьефа, например в виде гидроавтомата релей- но-гистерезисного типа, и поддерживает в оросителе установленный уровень.

Все оросители, кроме оросителя с нижней из работающих машин, забирают воду по потребности, поэтому небольшое рассогласование подачи расхода в распределительный канал относительно водопотребления машин и потерь будет проявляться в оросителе с нижней из работающих в данный момент машин. - уровень в нем будет плавно снижаться. Когда уровень снизится; до установенного, по ,сигналу датчика.минимального уровня в этом оросителе микро- ЭВМ посредством затвора 3 подает в систему установленный корректирующий V объем воды в виде увеличения поаваемого расхода на установленную величину, например Q,.- в течение заданного времени

Н

VK

QH(7)

Таким образом, в течение времени формула (6) используется в виде

Q, NQn + QJ + QH QH(N + 1) + Q,

(8)

причем величина V j принимается равной 10-20% от рабочего объема нижней резервной емкости. Такой способ корректировки является упрощенным. Более эффективен способ корректировки водоподачи с автоматической подстройкой. При этом к описанным операциям корректировки добавляются следующие: фиксируется интервал t времени между корректировками, если в течение этого интервала имели место изменения количества работающих машин, то вновь фиксируется интервал t, времени между корректировками; если t бол-ьше установленной величины (например, 7ч), то Т цуменьшается, например, на 20%, т.е. TK Т -0,8, если t меньше второй установленной величины (пусть 4 ч), то Т| увеличивается, например, на 10%, т.е. Т Т. 1,1.

10

15

20

25

30

35

45

дд

0

Такая автоподстройка корректирующего импульса производится путем незначительного усложения программы ЭВМ, т.е. практически без затрат, но эффект дает заметный: величину Т,, можно установить один раз и очень приблизительно, ее не придется подстраивать вручную в процессе эксплуатации при изменении водопотребления машины, при существенных вариациях, потерь на фильтрацию, испарение и др.

В памяти ЭВМ заложены уставки датчиков минимального уровня и соответствующий аварийный запас Уд между уровнем этой уставки и предельнгым допускаемым уровнем. Корректирующий объем определяется по формуле (7), поэтому резервньй запас воды, кото- рьй будет иметь.система после добега- ния корректирующего объема, составит ,+ V,.

Присвоение этого значения символу R , обеспечивает уточнение и автоматическую подстройку величины фактического запаса, что обеспечивает более точное поддержание уровней с наименьшим количеством срабатываний . затвора регулятора водоподчи.

Обеспечивая повьш1ение качества управления, применение предлагаемо- го способа улучшает поддержание диапазона требуемых уровней воды при снижении числа срабатьшаний затворов, расширяет область применения систем без линейных за творов и решает основнзпо задачу автоматизации водораспределения для систем, оросители которых имеют повышенный уклон (больше 0,0001).

Величина экономического эффекта в большой степени зависит от варианта базового решения.

Если принять, что базовым является вариант с управляемыми электроприводными затворами по длине распределительного канала, тогда эконо мия капитальных затрат составит более 40 тыс.руб. для системы из не- тырех ярусов оросителей.

Если в качестве базового принять систему без затворов по длине распределительного канала, тогда достигаемое согласно предлагаемому способу качество управления водораспределе- нием можно обеспечить путем значительных увеличений резервных емкостей, т.е. сечений каналов. В этом случае

I

кономический эффект увеличится в ,5-4 раза.

1604264

к ш с н ш о н ч в в сл с о

Формула изобретения

Способ автоматизированного водо- распределения на открытых оросительных системах, включающий подачу из источника орошения в распределительный канал расхода, соответствующего суммарному номинальному расходу работающих дождевальных машин, подачу из распределительного канала в оросители расхода в соответствии с водопотреблением работающих на них дождевальных машин по сигналам сигнализаторов работы последних, формирование в расчетные интервалы времени по сигналам сигнализаторов работы машин в случае изменения числа включенных в работу долщевальных машин величины компенсирующего объема в виде алгебраической суммы разностей между величиной суммарного объема заполнения ре зервных емкостей распределительного канала при новом и предшествующем числе включенных в работу дождевальных машин и величиной разности между заполнением участков распределительного канала при новом и предшествующем числе включенных в работу дождевальных машин, и подачу компенсирующего объема в начало распределительного канала путём изменения расхода распределительного канала в течение расчетного интервала .

12

5

0

5

0

5

времени подачи измененного расхода, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения качества управления водораспределением и уменьшения ка- питальных затрат для систем с уклонами оросителей ; , более 0,0001, к компенсирующему объему добавляют величину части компенсирующего объема, подача которого не закончена в течение предыдущего расчетного интервала времени, и величины прогнозируемой разности запасов воды при новом и предшествующем числе работающих дождевальных машин, причем величину расчетного интервала времени подачи компенсирующего объема изменяют путем умножения на постоянные коэффициенты в случае изменения количества включенных в работу дождевальных машин за предьщущий расчетный интервал времени подачи компенсирующего объема, регулирование уровня в резервных емкостях осуществляют водосливными гранями на выходах из этих емкостей, а величину прогнозируемой разности запасов воды при новом и предшествующем числе работающих машин определяют пропорционально изменению запаса воды на предьщущем расчетном интервале времени соответственно при ожидаемом изменении числа включенных дождевальных машин на последнем расчетном интервале времени с учетом удаленности их от источника орошения.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для автоматизации полива широкозахватными машинами типа "Кубань", а также другими поливными установками на базе трактора. Цель изобретения - повышение качества управления водораспределением и уменьшение капитальных затрат для систем с уклонами оросителей более 0,0001. Способ включает подачу в распределительный канал расхода соответственно номинальному водопотреблению включенных дождевальных машин (ДМ) по сигналам сигнализаторов их работы и забор воды в оросители. При включениях (отключениях) ДМ по сигналам сигнализаторов работы ДМ формируют сигнал изменения количества работающих машин, по которому в распределительный канал подают компенсирующий объем воды, величина которого определяется как сумма разностей между объемами наполнения участков распределительного канала при новом и предшествующем расходах номинального водопотребления всеми ДМ, между объемами заполнения резервных емкостей, а также между объемами требуемых запасов и объема, подача которого не была закончена в процессе подачи предшествующего компенсирующего объема. 1 ил.

/ S Т М

14